ЭФФЕКТИВНОЕ  СНИЖЕНИЕ  ТОКСИЧНОСТИ  ОТРАБОТАННЫХ  ГАЗОВ

ДИЗЕЛЬНЫХ  ДВИГАТЕЛЕЙ

 

Все виды современного транспорта наносят большой ущерб биосфере, но наиболее опасен для нее автомобильный транспорт. В глобальном балансе загрязнения атмосферы доля автотранспорта составляет 13,3%, но в городах она возрастает до 80%.

Загрязнения окружающей среды при работе двигателей внутреннего сгорания, связанны с загрязнением воздуха и обусловлены выбросами в окружающую среду окислов азота, углерода, серы, альдегидов и углеводородов, а также взвешенных частиц - аэрозолей. Основные принципы снижение вредных выбросов от двигателей внутреннего сгорания приведены в работе [1]. Среди них названы совершенствование конструктивных и режимных параметров (дефорсирование дизеля, уменьшение угла опережения впрыска, дросселирование на всасывании воздуха, обогащение топлива горючими газами и водяными парами и др.).

Все шире находят применение в автомобилестроении дизельные двигатели. Их преимущества: более высокий КПД (до 35%), возможность работать на более дешевом топливе, однако из-за содержащихся в отработанных газах сажи, сложных циклических и ароматических углеводородов, относящихся к канцерогенными веществами, дизельные двигатели более токсичны.

По данным исследования, проведенного шведскими учеными и опубликованного в журнале American Journal of Epidemiology, отработанные газы от дизельных двигателей существенно повышают риск рака легких. Продукты сгорания дизтоплива по канцерогенности не уступают асбесту.

Американские исследователи из университета Цинциннати установили, что отработанные  газы дизелей нарушают работу иммунной системы. Они подавляют активность ряда веществ, важных для правильного и своевременного реагирования иммунной системы на проникновение инфекционного агента.

Вдыхание сажи содержащаяся в отработанных газах вызывает болезнетворные изменения в системе дыхательных органов человека – аллергию. Однако большая опасность связана со свойством сажи накапливать на поверхности своих частиц канцерогенный бенз(а)пирен. Длительное воздействие сажи на организм человека таким образом может привести к онкологическим заболеваниям.

Углеводороды в отработанных газах состоят из исходных или распавшихся молекул топлива, которые не принимали участия в сгорании. Особое значение имеют выбросы бензола, толуола, полициклических ароматических углеводородов и в первую очередь бенз(а)пирена. Все они относятся к группе канцерогенных веществ, не выводятся из организма человека, а со временем, накапливаясь в нем, способствуют образованию злокачественных опухолей.

Автопроизводители мира, периодически подстегиваемые законодателями Европы, Америки и Азии, уже давно ведут борьбу за снижение токсичности отработанных газов.          Идей - масса, но все перспективные разработки сводятся к трем технологиям - "топливных элементов" (Fuel Cell - см. "АБС" N2/1997)), электромоторам и гибридным двигателям.

Исследователи в большинстве своем стремятся влиять на процессы горения изменением химической природы топлива и изменять в нем количество свободных радикалов и их энергетического состояния [2].

Горение - это одно из самых сложных известных человеку явлений. С научной точки зрения, горение - это цепная реакция последовательного дробления частиц топлива на все более мелкие заряженные радикалы, это и физико-химические процессы преобразования химической энергии межмолекулярных связей, это и физические процессы преобразования энергии на молекулярном и атомном уровнях, в тепло и свет, и многие другие процессы, протекающие одновременно.

Скорость реакции горения может быть найдена с помощью уравнения Аррениуса:

 

k = A ∙ e ^-Ea/RT

где A - постоянная, зависящая от природы реагирующих веществ; R - универсальная газовая постоянная [8,314 Дж/(моль ∙ К) = 0,082 л ∙ _═атм/(моль ∙ К)]; Ea - энергия активации.

Рассмотрим качественно, какова с позиции квантовой механики природа энергии активации в химической реакции, и чем определяется ее величина [3, 4]. Любая химическая реакция связана с перемещениями ядер атомов, из которых состоят молекулы реагентов, и с перестройкой их электронного окружения. Рассмотрение подавляющего большинства химических событий возможно на основе приближения Борна-Оппенгеймера. которое заключается в том, что вследствие малой массы электронов в сравнении с ядрами совокупность электронов в молекуле можно рассматривать как быструю подсистему. Это позволяет отдельно рассматривать и рассчитывать ядерное и электронное движения. Если ядра атомов находятся в некоторой конфигурации относительно друг друга, то электронное распределение приходит в соответствие с ядерной конфигурацией очень быстро, за время, за которое ядра практически не успевают переместиться. Быстрая электронная подсистема находится, таким образом, всегда в состоянии, которое определяется ядерной конфигурацией. Можно сказать, что электронное распределение отслеживает движения ядер и успевает подстроиться под них. С другой стороны, стационарное для данной ядерной конфигурации распределение электронной плотности определяет силы, действующие на ядра, и, таким образом, определяет их движение. Потенциальная энергия системы атомов определяется расположением электронов и ядер. Поскольку распределение электронов задано взаимным расположением ядер, то любому такому расположению соответствует единственное значение потенциальной энергии системы. Зависимость потенциальной энергии от ядерной конфигурации может быть выражена графически как поверхность потенциальной энергии (сокращенно ППЭ), Любой ядерной конфигурации будет соответствовать точка на поверхности потенциальной энергии.

Переход молекулы с одной поверхности потенциальной энергии на другую связан с изменением электронного и/или спинового состояния молекулы.

            В реакциях горения важное значение имеет не только молекулярная, но и спиновая динамика, играющая в элементарных химических актах двоякую роль. С одной стороны, она активно влияет на механизм и кинетику реакции. С другой стороны, спиновая динамика очень чутко реагирует на молекулярную динамику элементарного химического акта.

Из спиновой химии известно [5], что химическими реакциями управляют два фундаментальных фактора - энергия и спин. При этом запрет химических реакций по спину непреодолим. Если в химической реакции сталкивающиеся молекулы имеют антипараллельные спины (синглетное состояние), образование химической связи происходит. Если взаимодействующие молекулы имеют параллельные спины (триплетное состояние), то молекула может образоваться только в триплетном, возбужденном состоянии. Поскольку такие состояния обычно лежат высоко по энергии, в подавляющем большинстве случаев химические реакции в триплетной паре невозможны

Согласно правила Вигнера статистический вес встреч двух молекул в синглетном состоянии равен 1/4,  а статистический вес встреч в триплетном состоянии равен 3/4. В подавляющем  большинстве случаев основное состояние продуктов химической реакции является синглетным, и поэтому следует ожидать, что только четверть встреч реагирующих молекул могут дать продукт реакции. Такие процессы, как правило, протекает безактивационно, т.е. энергия активации реакции близка к нулю. Образующаяся молекула находится в основном электронном состоянии. Реакция протекает быстро и эффективно, если молекула имеет возможность отдать энергию, выделяющуюся при образовании связи, другим частицам или перераспределить ее между многими колебательными модами.

            К особенности спиновой динамики относится возможность когерентного контроля химических реакций [6, 7, 8]. В когерентных режимах можно ожидать увеличения выходов реакций, селективности процессов, самоочистки поверхностей от каталитических ядов и т.д. за счет увеличения статистического веса синглетных состояний встречающихся молекул до 1/2. И эти ожидания подтвердились, особенно в химических осцилляторах с вынужденными, принудительными осцилляциями .

Но прежде чем обсудить возможность такого контроля, кратко суммируем, что такое когерентность в квантовой механике. Рассмотрим некоторую молекулярную систему. Оператор энергии этой системы обозначим через Ή. Стационарные (собственные) состояния y_k и уровни энергии этих стационарных состояний E_k находятся из решения уравнения Шредингера

Ήy_k = E_k y_k

 

Согласно квантовой механике система может находиться в состоянии линейной суперпозиции стационарных состояний

 y = å c_k y_k

           ^k

Измеряемой величиной является квадрат модуля волновой функции

 

|y|² = å |c_k|² |y_k|²   +  åå c^*_n c_k y^*_ny_k

           ^{k                                  k  n}                                  

         Эта величина состоит из двух частей. Первое слагаемое в правой части отражает населенности |c_k|² стационарных состоянийy_k  в линейной суперпозиции. Очень интересным является второе слагаемое в правой части этого выражения. Оно показывает, что вклады разных стационарных состояний в наблюдаемую величину интерферируют. Это интерференционное слагаемое изменяется со временем согласно уравнению

 

|y(t) |² = å |c_k|² |y_k|²   +  åå c^*_n c_k y^*_ny_k exp [- (E_k - E_n)t / ћ]

                        ^{k                                   k  n}                                 

Видно, что именно за счет перекрестных произведений стационарных состояний интерфренционная картина изменяется со временем. Величины с_n*с_k (n ¹ k) характеризуют когерентность состояния квантовой системы.

Эти общеизвестные положения квантовой механики непосредственно проектируются на реагирующие системы. Обозначим через y_нач начальное состояние молекулярной системы (исходное состояние реагентов) и через y_кон конечное состояние молекулярной системы (состояние продуктов реакции). Следует ожидать, что при движении вдоль координаты реакции (от состояния реагентов к состоянию продуктов реакции) молекулярная система будет проходить через суперпозицию состояний y_нач и y_кон. А это означает, что при движении вдоль координаты реакции, т.е. в ходе элементарного акта химической реакции важную роль может играть квантовая когерентность.
                Чтобы пояснить возможность когерентного контроля химических реакций,  рассмотрим переход между двумя состояниями. Пусть в начальный момент времени, t = 0, система находится в состоянии 1 с энергией E₁, и пусть имеется состояние 2 с энергией E₂, равной E₁, т.е. E₂ = E₁. Предположим, что эти два состояния связаны некоторым взаимодействием с матричным элементом перехода, равным V. Обсудим вероятность p(t) найти систему в любой момент времени в состоянии 2. Временная зависимость этой вероятности очень сильно зависит от когерентности. Если переход из начального состояния 1 в конечное состояние 2 происходит некогерентным образом, то со временем происходит выравнивание населенностей этих состояний, и после достижения p = 1/2, населенности этих состояний в дальнейшем сохраняют значение 1/2. В случае когерентного движения искомая вероятность равна

   

 

Два обстоятельства в этом результате совершенно замечательные:

а) эта вероятность осциллирует, т.е. она не изменяется монотонно, как это ожидается для некогерентного движения;

б) эта вероятность в определенные моменты времени достигает значения 1.

Когда при Vt / ћ = p/4 эта вероятность становится равной 1/2, оба состояния оказываются равнозаселенными, переход из начального состояния в конечное продолжается как бы по инерции дальше, до полного перехода системы в состояние 2 и т.д. Этот пример показывает, что квантовая когерентность может играть очень важную роль в процессах переходов и в элементарных химических актах.

Как можно было бы реализовать то, что называется когерентным контролем реакции в данном примере? Предположим, что возбужденная молекула, из состояния 2, может, например, диссоциировать. Наибольший выход продуктов распада получится в том случае, когда в результате когерентного движения система полностью оказывается в состоянии 2, т.е. в момент времени, который удовлетворяет условию

 

Vt / ћ = 1/2 (2n + 1) π,    n =  0, 1, 2, …

 

Из этого примера видно, что можно оптимизировать химическое превращение, используя когерентный характер движения системы вдоль координаты реакции.

            На практике, спиновое когерентное состояние систем, участвующих в химических реакциях, может быть достигнуто путем использования спинорного поля, которое можно генерировать с помощью устройств, созданных на основе специально организованного ансамбля классических спинов, в котором реализуется максимальная энергия взаимодействия не только между соседними, но и удаленными спинами. Система взаимодействующих спинов является при этом своеобразным усилителем малых эффектов каждого отдельного спина.

Принципы построения реального генератора спинорного поля (СП) изложены в [9].

            Так как спин рассматривается нами как источник СП, то в соответствии с концепцией       Р. Утиямы [10] объектом, чувствительным к воздействию  излучаемого генератором СП, должна быть спиновая система материальной среды. Причем в отношении величины эффекта, система спинов имеет преимущество перед индивидуальным спином микрочастицы. Сложная неравновесная спиновая структура, обладающая большим запасом квазивырожденных по энергии состояний,  может  выполнять  роль  системы,  в  которой  действие  СП может накапливаться (спиновое насыщение)  и приводить к заметным  макроскопическим  изменениям.

            Один из методов организации спинового когерентного состояния в автомобильном топливе (АТ), может быть реализован следующим образом (рис. 1).

Рис. 1

1 - генератор спинорного поля, 2 – резонатор спиновых состояний, 3 - чип-транслятор,  4 – бак автомобиля с топливом,  5 – чип-индуктор

 

            В бак автомобиля 4 помещен чип-индуктор 5, который по каналу квантовой связи, создаваемому с использованием физики запутанных квантовых состояний (the physics of entangled quantum states), связан с чип-транслятором 3. Чип-транслятор размещается в резонаторе спиновых состояний  2, к которому подключен генератор СП 1 .

После включения генератора СП 1 происходит возбуждение резонатора спиновых состояний 2 до требуемого уровня. Одновременно с возбуждением резонатора происходит возбуждение чип-транслятора 3, который за счет эффекта запутанных квантовых  состояний осуществляет трансляцию спинового возбуждения на чип-индуктор 5. Чип-индуктор осуществляет спиновую накачку топлива в баке 4 и переводит его в беспрерывно удерживаемое спиновое когерентное состояние.

            Исследования по влиянию спинового когерентного состояния дизельного топлива на состав выхлопных газов проводились на испытательном стенде Лаборатории двигателей внутреннего сгорания Познаньского политехнического института. Параметры стендового  двигателя приведены в таблице 1.

 

Параметры используемого двигателя

Таблица 1

 

            Результаты исследований влияния спинового когерентного состояния дизельного топлива на состав выхлопных газов приведены в таблице 2.

 

Результаты измерений

Таблица 2

* - знак минус указывает на процентное уменьшение продуктов эмиссии

 

            С использованием данных таблицы 2 построен график, представленный на рис. 2, снижения содержания сажи (С), углеводородов (CxHy) и твердых частиц (РM) [%] в выхлопных газах  сжигаемого когерентного дизельного топлива при различных моментах двигателя [Nm] в относительно равновесного (некргерентного) дизельного топлива.

 

 

Рис. 2

 

На этом же стенде были проведены исследования влияния спинового когерентного состояния дизельного топлива на состав выхлопных газов в соответствии с тестами ECE R-49 и Euro II. В результате статистического анализа этого комплекса исследований построены графики, представленные на рис. 3 и 4, снижения содержания сажи (С), углеводородов (CxHy) и твердых частиц (РM) [%] в выхлопных газах  сжигаемого дизельного топлива. При этом за 100% взяты показатели принятые в тестах ECE R-49 и Euro II.

 

 

Рис. 3

 

Рис. 4

 

В результате проведенных исследований можно сделать следующие выводы:

1. Спиновое когерентное состояние дизельного топлива повышает эффективность его горения, снижает токсичность отработанных газов и может повысить экологичность дизельных двигателей.

2. Этот же вывод следует и в результате исследований по тестам ECE R-49 и Euro II.

3. Использование когерентного дизельного топлива может быть рекомендовано на транспорте эксплуатируемого в городских условиях, поскольку двигатели автомобилей работают преимущественно в режиме холостого хода и разгона.

4. В связи с тем, что содержание NOx, CO, С, CxHy, и PM в выхлопных газах дизельного двигателя работающего на когерентном топливе ниже нормативных требований ECE R-49 и Euro II, можно рекомендовать отказаться от оборудования двигателей фильтрами-дожигателями отработанных газов. При этом следует ожидать повышения мощности двигателей и снижение расхода дизельного топлива.

 

ЛИТЕРАТУРА

 

1.       Двигатели внутреннего сгорания и экология, редакционная статья //Двигателестроение, 1999, N2, с.43-44.

2.       Герасимов А.Т., Снижение выбросов вредных веществ с отработанными газами автомобилей с дизельными двигателями// канд. дисс. СП б, 1993, с.190.

3.       Бучаченко АЛ., Салихов К.М., Молин Ю.Н., Сагдеев Р.З. Магнитные и спиновые эффекты в химических реакциях. Новосибирск: Наука, 1978.

4.       Buchachenko A.L., Frankevich E.L. Chemical generation and reception of microvawes. N.Y., 1994.

5.       Бучаченко АЛ. Химия на рубеже веков: свершения и прогнозы // Успехи химии. 1999. Т. 68. С. 85-102.

6.       G. Kothe, M. Bechtold, G. Link, E. Ohmes, J. -U. Weidner Chem Phys Lett, 283, 51 (1998).

7.       W. Hohmann, D. Lebender, J. Muller, N. Schinor, F. Schneider J.Phys Chem A, 101,9132(1997).

8.       S. Jakubith, H. H. Rotermund, W.Engel, A. von Oertzen, G. Ertl. Phys. Rev. Lett, 65, 3013(1990).

9.       Краснобрыжев В.Г. Спинорные поля и их генерация. http://entron.narod.ru/.

10.   Утияма Р. К чему пришла физика. (От теории относительности к теории калибровочных полей). М., Знание, 1986, 224 с.

В. Краснобрыжев, Г.Пацоха

E-mail: entron@rambler.ru

Тел. (38044) 475-96-75